二冲程空气动力发动机总成

摘要

本发明涉及一种二冲程发动机，具体而言，涉及一种以压缩空气作为动力源的二冲程空气动力发动机总成。本发明的二冲程空气动力发动机总成包括：发动机本体(1)、多柱体动力分配器(2)、动力设备(4)、控制器系统(6)、进气控制调速阀(23)、高压气罐组(13)、恒压罐(16)、电子控制单元ECU(29)。

权利要求

1.二冲程空气动力发动机总成，其包括：发动机本体(1)，其包括气缸(40)、缸盖系统(36)、进气管路(42)、排气管路(27)、活塞(51)、连杆(54)、曲轴(56)、排气凸轮轴(800)、进气凸轮轴(200)、前齿轮箱系统(43)和后齿轮箱(33)；所述活塞(51)经由连杆(54)连接到曲轴(56)；所述前齿轮箱系统(43)用来传动曲轴(56)和凸轮轴(800,200)，所述缸盖系统(36)上设有用于压缩空气进气的气喉孔(402)和用于尾气排放的排气孔(272)；高压气罐组(13)，其通过管路(14)与外接加气装置连通；其特征在于，所述二冲程空气动力发动机总成还包括：恒压罐(16)，其通过管路(15)与高压气罐组(13)连通；进气控制调速阀(23)，其通过管路(17)与恒压罐(16)连通；控制器系统(6)；以及电子控制单元ECU(29)，其根据传感器(24,242)所检测的信号控制进气控制调速阀(23)；所述前齿轮箱系统包括多边形盖(313)、传动齿轮(308)、曲轴齿轮(307)、过桥齿轮(303)、进气凸轮轴齿轮(302)、排气凸轮轴齿轮(306)；曲轴齿轮(307)通过过桥齿轮(303)将来自曲轴(56)的运动传递给驱动进气凸轮轴(200)的进气凸轮轴齿轮(302)和驱动排气凸轮轴(800)的排气凸轮轴齿轮(306)；进一步包括多柱体动力分配器(2)，所述多柱体动力分配器(2)包括五级，分别是一级(601)、二级(602)、三级(603)、四级(604)、五级(604)，每一级均包括内齿圈(407)、行星齿轮(401)和太阳轮(405)；多柱体动力分配器（2）可与曲轴（56）上的飞轮固定连接，也可通过联轴器的连接件与曲轴连接，以将动力传递给动力设备（4）；一级（601）和二级（602）的行星齿轮（401）之间通过行星齿轮销（403）连接；二级（602）和三级（603）的太阳轮（405）通过太阳齿轮销（406）连接；三级（603）和四级（604）之间的连接关系类似于一级（601）和二级（604）之间的连接关系，四级（604）和五级（605）之间的连接关系类似于二级（602）和三级（603）之间的连接关系；每一级的行星齿轮（401）只绕自身轴线作自转运动，而不绕相应太阳轮（405）作公转运动。

2.根据权利要求1所述的发动机总成，其特征在于，所述进气控制调速阀(23)是电磁比例阀或电磁比例阀和减压阀的组合。

3.根据权利要求1所述的发动机总成，其特征在于，所述控制器系统(6)包括高压共轨恒压管(91)、控制器上盖(108)、控制器中座(98)和控制器下座(97)，所述控制器上盖(108)、控制器中座(98)和控制器下座依次通过螺栓可拆卸地密封连接。

4.根据权利要求1所述的发动机总成，其特征在于，所述传感器是发动机转速传感器(24)或油门电位计(242)或两者的组合。

5.根据权利要求3所述的发动机总成，其特征在于，所述控制器上盖(108)内设有进气管路(112)，所述进气管路(112)螺纹连接到高压共轨恒压管(91)。

6.根据权利要求3所述的发动机总成，其特征在于，所述控制器中座(98)内安装有控制器进气门(92)、控制器气门弹簧(94)、油封衬套(99)、控制器气门弹簧下座(97)和控制器气门座套(93)，所述控制器气门(92)受控制器气门弹簧(94)的预作用力在发动机无需进气时抵靠在控制器气门座套(93)上。

7.根据权利要求6所述的发动机总成，其特征在于，所述控制器下座(97)内设有控制控制器气门(92)开闭的控制器挺柱(115)，所述控制器挺柱(115)由进气凸轮轴(200)致动。

8.根据权利要求1所述的发动机总成，其特征在于，所述气缸(40)为6个气缸，所述曲轴(56)包括6个单元曲拐(71)。

9.根据权利要求8所述的发动机总成，其特征在于，所述6个单元曲拐分别为第一单元曲拐(71a)、第二单元曲拐(71b)、第三单元曲拐(71c)、第四单元曲拐(71d)、第五单元曲拐(71e)、第六单元曲拐(71f)，并且各单元曲拐的相位作如下设置：第一单元曲拐(71a)与第二单元曲拐(71b)相差120度、第二单元曲拐(71b)与第三单元曲拐(71c)相差120度、第三单元曲拐(71c)与第四单元曲拐(71c)相差180度、第四单元曲拐(71d)与第五单元曲拐(71e)相差-120度、第五单元曲拐(71e)与第六单元曲拐(71f)相差-120度。

说明书

二冲程空气动力发动机总成

技术领域

[0001] 本发明涉及一种二冲程发动机，具体而言，涉及一种以压缩空气作为动力源的二冲程空气动力发动机总成。

背景技术

[0002] 发动机被广泛应用于各行各业中，在现代交通运输工具比如汽车、轮船等中，一般采用以燃油作为动力源的活塞式内燃发动机。这种采用燃油作为动力源的发动机一方面因燃油燃烧不充分，使得排出的气体中含有大量的有害物质而污染环境，另一方面因使用的燃油是从石油中提炼而获得，石油资源的日益紧缺使得燃油发动机的发展和利用受到越来越多的限制。因此开发新的、洁净的、无污染的替代能源，或者尽可能地减少燃油消耗、降低排放成为发动机发展中急需解决的问题。为此，各国经历了复杂而艰辛的探索之路，研究和开发了多种动力源，比如代用燃料、电动驱动、燃料电池和太阳能电池等。

[0003] 代用燃料汽车，如天然气(CNG、LNG)汽车、醇类汽车、二甲醚汽车等仍然有排放污染和热效应，有些燃料还有毒性，有些燃料燃烧控制困难，因而在实际使用中依然存在诸多困难和挑战。

[0004] 电动汽车行驶中无污染排放、噪声低、能量转换效率高，但电池驱动的电动汽车受制于车载电池，在比功率、循环寿命、充放电性能、造价和安全性方面一时难以达到实用的程度，同时，电池本身存在严重的二次污染。混合动力电动车具有电池电动车和内燃机汽车的优点，但仍存在排放和污染问题，并且由于两套动力装置的存在，其驱动和控制系统变得异常复杂，从而阻碍了实际应用和发展。

[0005] 燃料电池被人们寄予厚望，可实现动力输出的零排放，能量转换率高，但燃料电池的制造成本高，氢气的安全存储、制备和灌装都有许多问题，这就大大制约了这种动力源的发展和使用。太阳能电池仍需减少电池体积和提高光电转换效率，因而具体应用到交通运输工具上仍需取得突破性进展。

[0006] 综上所述，上述的各种新的动力源或它们构成的混合动力源均存在不足之处，因而，迫切需要一种没有污染、用之不竭的新型能源，压缩空气动力源正好满足了这种要求。

[0007] 最早研究压缩空气动力发动机的为法国MDI公司的设计师Guy Negre，它提出了空气动力发动机的概念，试图解决“零排放”与可循环能源的利用问题，从此揭开了发动机研究的新篇章，并于2002年推出了第一款纯空气动力的经济型家用桥车。压缩空气压缩机使用高压压缩空气作为动力源，空气作为介质，在空气动力发动机工作时，将压缩空气存储的压力能转换为其他形式的机械能。关于空气动力发动机的研究可见FR2731472A1、US6311486B1、US20070101712A1等。

[0008] FR2731472A1公开了一种可在燃料供应和压缩空气供应两种模式下工作的发动机，在高速公路上采用普通燃料如汽油或柴油，在低速特别是市区和市郊，将压缩空气(或其他任何非污染的压缩气体)注入燃烧室。这种发动机虽然部分地降低了燃料消耗，由于仍然采用了燃油工作模式，排放问题依然未能解决。

[0009] 为了进一步减轻污染，US6311486B1公开了一种纯空气动力发动机，这种类型的发动机采用了三个独立的室：吸气-压缩室、膨胀排气室和恒定容积燃烧室，并且吸气-压缩室通过阀连接到恒定容积燃烧室，恒定容积燃烧室通过阀连接到膨胀排气室。这种发动机的问题之一是压缩气体从吸气-压缩室到膨胀排气室经历的时间较长，获得驱动活塞做功的动力源气体时间较长，同时，从膨胀排气室排出的高压气体未能得到使用，这就限制了这类发动机的工作效率及单次充气持续工作时间。

[0010] 国内一些研究人员和单位也对空气动力发动机进行了研究，但绝大多数集中在压缩空气动力发动机的可行性及工作原理上，比如许宏等(“压缩空气动力汽车的可行性研究”，《中国机械工程》第13卷第17期第1512-1515页，2002年9月)。国内一些专利文献比如CN1851260A、CN100560946C、CN101705841A虽也对空气动力发动机进行了研究，但多属于理论研究和概念设计，均未能解决压缩空气的排放(通常具有较高的压力，比如30bar左右)以及高压压缩空气的控制和分配问题，离空气动力发动机的产品化过程还有很长的路要走。

[0011] 本申请的申请人在其专利文献CN101413403 A(其同族国际申请为WO2010051668 A1)中公开一种可用于交通运输工具的空气动力发动机总成，该发动机包括储气罐、空气分配器、发动机本体、联动器、离合器、自动变速器、差速器以及置于排气室内的叶轮发电机。这种发动机利用压缩空气做功而不使用任何燃料，因此没有废气排放，实现了“零排放”。但这种发动机是基于传统的四冲程发动机，曲轴每旋转720度，活塞做功一次。而作为动力源的高压空气可以在进入气缸内时即可推动活塞做功，而后排放，即空气动力发动机的冲程实际为进气-膨胀冲程和排放冲程。显然，专利文献CN101413403 A所公开的这种四冲程空气动力发动机大大浪费了有效的做功冲程，限制了发动机的效率，这就降低了空气动力发动机在工业上的应用前景。

[0012] 基于上述问题，本发明提供一种二冲程空气动力发动机，旨在解决压缩发动机的有效做功问题，从而实现经济、高效、零排放的新型空气动力发动机。

发明内容

[0013] 相当于本发明原始要求范围内的某些实施例作如下概括。这些实施例并非限制所请求保护的发明范围，而是试图提供本发明的多种可能形式的简要概括。实际上，本发明可包括类似于或不同于下面提出的实施例的不同形式。

[0014] 根据本发明的第一个方面，提供一种空气动力发动机总成，这种发动机总成包括：发动机本体，其包括气缸、缸盖系统、进气管路、排气管路、活塞、连杆、曲轴、排气凸轮轴、进气凸轮轴、前齿轮箱系统和后齿轮箱；所述活塞经由连杆连接到曲轴；所述前齿轮箱系统用来传动曲轴和凸轮轴；所述缸盖系统上设有用于压缩空气进气的气喉孔和用于尾气排放的排气孔；高压气罐组，其通过管路与外接加气装置连通；恒压罐，其通过管路与高压气罐组连通；其中，空气动力发动机总成还包括：进气控制调速阀，其通过管路与恒压罐连通；
控制器系统；以及电子控制单元ECU，其根据传感器所检测的信号控制进气控制调速阀；所述前齿轮箱系统包括多边形盖、传动齿轮、曲轴齿轮、过桥齿轮、进气凸轮轴齿轮、排气凸轮轴齿轮；曲轴齿轮通过过桥齿轮将来自曲轴的运动传递给驱动进气凸轮轴的进气凸轮轴齿轮(和驱动排气凸轮轴的排气凸轮轴齿轮。

[0015] 在示例性实施例中，所述发动机总成进一步包括多柱体动力分配器。所述多柱体动力分配器包括五级，分别是一级、二级、三级、四级、五级，每一级均包括内齿圈、行星齿轮和太阳轮。多柱体分配器的存在可以有效地实现发动机输出动力的多级按需求分配。或者，所述进气控制调速阀是电磁比例阀或者电磁比例阀和减压阀的组合，这样就可方便地实现发动机高速、中速和低速时对压缩空气进气的需求。

[0016] 优选的是，所述控制器系统包括高压共轨恒压管、控制器上盖、控制器中座和控制器下座，所述控制器上盖、控制器中座和控制器下座依次通过螺栓可拆卸地密封连接。

[0017] 在另一个示例性实施例中，所述传感器是发动机转速传感器或者是油门电位计，或者是两者的组合。

[0018] 在另一个示例性实施例中，所述控制器上盖内设有进气管路，所述进气管路螺纹连接到高压共轨恒压管。

[0019] 此外，所述控制器中座内安装有控制器进气门、控制器气门弹簧和控制器气门座套，所述控制器气门受控制器气门弹簧的预作用力在发动机无需进气时抵靠在控制器气门座套上。

[0020] 优选的是，所述控制器下座内设有控制控制器气门开闭的控制器挺柱，该控制器挺柱由进气凸轮轴致动。

[0021] 在另一个实施例中，所述发动机总成的气缸为6个气缸，其曲轴包括6个单元曲拐。

[0022] 优选的是，所述6个单元曲拐分别为第一单元曲拐、第二单元曲拐、第三单元曲拐、第四单元曲拐、第五单元曲拐、第六单元曲拐，并且各单元曲拐的相位作如下设置：第一单元曲拐与第二单元曲拐相差120度、第二单元曲拐与第三单元曲拐相差120度、第三单元曲拐与第四单元曲拐相差180度、第四单元曲拐与第五单元曲拐相差-120度、第五单元曲拐与第六单元曲拐相差-120度。

附图说明

[0023] 现在将描述根据本发明的优选但非限制性的实施例，本发明的这些和其他特征、方面和优点在参考附图阅读如下详细描述时将变得显而易见，其中：

[0024] 图1是根据本发明的二冲程空气发动机总成的总体示意图；

[0025] 图2是图1中的二冲程空气发动机总成的发动机本体的正视图；

[0026] 图3是图1中的二冲程空气发动机总成的发动机本体的右侧侧视图；

[0027] 图4是图1中的二冲程空气发动机总成的发动机本体的左侧侧视图；

[0028] 图5是图1中的二冲程空气发动机总成的发动机本体的俯视图；

[0029] 图6是图1中的二冲程空气发动机总成的发动机本体的曲轴-连杆-活塞系统总成，其中，示出了其中一个活塞-连杆单元与缸体的连接；

[0030] 图7是图6中的曲轴-连杆-活塞系统总成的曲轴单元结构示意图；

[0031] 图8是图2中的发动机本体的凸轮轴结构示意图；

[0032] 图9A为图1中的二冲程发动机总成的控制器系统的立体透视图；

[0033] 图9B为控制器系统的纵向横截面视图；

[0034] 图9C为控制器系统的横向横截面视图；

[0035] 图10A为图1中的二冲程发动机总成的前齿轮箱系统的立体透视图；

[0036] 图10B为图10A的左侧侧视图；

[0037] 图10C为图10A的右侧局部剖视的侧视图；

[0038] 图11A为图1中的二冲程发动机总成的多柱体动力分配器的立体透视图；

[0039] 图11B为图11A的沿纵向轴线剖视的横截面视图；

[0040] 图11C为图11A的左侧侧视图；

[0041] 图11D为图11A的俯视图；

[0042] 图12A为压缩空气动力发动机的P-V图，其示出了串联分级的压缩空气动力分配形式；以及

[0043] 图12B为为压缩空气动力发动机的P-V图，其示出了并联形式的压缩空气动力分配形式。

[0044] 部件列表

[0045]参考数字 部件
1 发动机本体
2 多柱体动力分配器
3 离合器
4 动力装置
6 控制器系统
13 高压气罐组
14 压缩空气入口管路
15 管路
16 恒压罐
17 管路
18 导线
19 蓄电池
22 叶轮发电机
23 进气控制调速阀
24 速度传感器
242 油门电位计
25 电磁脉冲信号
26 控制信号
27 排气管路
272 排气孔
28 排气集气管
29 ECU
31 齿圈
32 飞轮
33 后齿轮箱
34 皮带轮
35 凸轮轴传动皮带
36 缸盖系统
39 启动器
391 发电机
40 气缸
42 进气管路、气门喉管
402 气喉孔
43 前齿轮箱系统
44 气缸体油底壳
45 机油滤芯器
51 活塞
52 活塞环
53 阻油环
54 连杆
55 活塞销
56 曲轴
57 连杆轴瓦
58 连杆盖
59 活塞卡环
60 连杆连接螺栓孔
61 曲轴正时斜齿轮
62 排气阀
63 膨胀排气室
71 单元曲拐
71a 第一单元曲拐
71b 第二单元曲拐
71c 第三单元曲拐
71d 第四单元曲拐
71e 第五单元曲拐
71f 第六单元曲拐
72 飞轮连接螺栓
73 机油润滑油孔
74 平衡配重孔
75 曲轴后端
76 曲柄销
77 平衡重
78 主轴颈
79 齿轮连接螺栓
800 排气凸轮轴
80 曲轴前端
81 单元凸轮
81a 第一单元凸轮
81b 第二单元凸轮
81c 第三单元凸轮
81d 第四单元凸轮
81e 第五单元凸轮
81f 第六单元凸轮
82 凸轮
83 链轮
91 高压共轨恒压管
92 控制器气门
93 控制器气门套座
94 控制器气门弹簧
95 控制器气门弹簧下座
96 控制器气门锁夹片
97 控制器下座
98 控制器中座
99 油封衬套
100 高压共轨恒压管端盖
104 气门柱套
105 端盖连接螺栓
106 端盖
107 上盖与中座连接螺栓
108 控制器上盖
109 中座与下座连接螺栓
110 中座与下座连接螺母
111 上盖连接孔
112 支进气管路
113 进气凸轮轴安装孔
114 控制器挺柱安装孔
115 控制器挺柱
116 油封衬套孔
117 控制器气门孔
118 气喉孔连接管路
119 控制器气门弹簧孔
120 控制器气门座套孔
200 进气凸轮轴
302 进气凸轮轴齿轮
303 过桥齿轮
304 油孔
305 焊接柱
306 排气凸轮轴齿轮
307 曲轴齿轮
308 传动齿轮
309 螺钉连接孔
310 螺钉孔
311 螺栓连接孔
312 吊环座
313 多边形盖
401 行星齿轮
4021 平键
403 行星齿轮销
404 轴承圆柱
405 太阳轮
406 太阳轮齿轮销
407 内齿圈
601 一级
602 二级
603 三级
604 四级
605 五级

具体实施方式

[0046] 以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。应当理解的是，在全部附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。

[0047] 在详细描述本发明的具体实施方式之前，先就空气动力发动机的能量进行理论分析。

[0048] 空气动力发动机的做功过程比较简单，只有压缩空气膨胀做功的过程。如图12A所示，图1-5为压缩空气等温膨胀过程，1-6为压缩空气绝热膨胀过程。压缩空气在发动机内做功不可能是完全的等温过程，通常介于等温过程和绝热过程之间，为了提高压缩空气的能量利用率可以采用多级绝热过程来近似等温过程，或者采用多级等容吸热过程来近似等温过程。图12A中示出了压缩空气的两级膨胀做功过程1-2-3-4，1-2和3-4分别是在第一个气缸和第二个气缸内完成。工质经过第一级的绝热膨胀做功后，再经过一次热交换器进行等压吸热2-3，回到初始温度后，再进入第二缸膨胀做功。从理论上讲，将发动机的做功过程可以近似地看作是等温膨胀过程，那么曲线1-5与坐标值V1、V2间所包含的面积表示压缩空气存储的能量释放所能转变的气体膨胀功。而在图12B中，图中曲线1、2分别表示压缩空气的等温、绝热膨胀过程，实际的减压膨胀过程介于曲线1、2之间。图中A为起始点，B、C、D、E为相应的分级压力控制时的压力分级点，在这些点处有等容吸热过程，如BC和DE等。理论上讲，曲线1与坐标值V1、V2间所包含的面积表示压缩空气存储的能量释放所能转变的气体膨胀功。

[0049] 假定高压气罐的充气压力为p1，储气体积为V1的理想气体在完全等温膨胀到常压p2时所能做的全部膨胀功为：

[0050] (1), (2)

[0051] 式中， 和 为相应的起始、终了状态，绝热膨胀后的终了状态为。

[0052] 选取法国MDI公司发动机的参数为起始储气压力 ，储气体积 =300L，终了室温状态下的压力 ，由式(1)、式(2)可计算出起始、终了状态间的完全等温膨胀的全部膨胀功 。

[0053] 假定压缩空气动力发动机的工作温度为300K，可获得300L、300MPa气压下的压缩空气的质量为104.553千克，假设储气罐的质量为100千克，则对应的比能量约为75 。相比较车载电池，例如铅酸电池和镍镉电池而言，压缩空气的比能量要高，并且大体上等于镍氢电池，具有较好的发展前景。随着高压储气罐的大容量、大压力和轻质量的发展，压缩空气的比能量还有大幅度地提高，甚至可以接近钠硫电池和锂聚合物电池。

[0054] 压缩空气在发动机内有两种做功形式，即等温膨胀过程和绝热膨胀过程，下面以具体参数计算说明两者的特点。

[0055] 选取初始状态1(30MPa,300K)，终了状态2(0.1MPa,300K)，求单位质量压缩空气分别在等温过程和绝热过程所作的膨胀功。等温膨胀过程单位质量气体所作的功为，绝热膨胀过程单位质量压缩空气所做的功为 。由理论计算可知，等温过程的膨胀功几乎是绝热膨胀过程的2倍，因此等温膨胀的能量利用率高于绝热膨胀，理论上采用等温膨胀做功是理想的。但是，“等温”在发动机气缸内是很难实现的，必须有一个二次热流导入发动机机壁以保持足够的热量。这就增加了技术难度，使发动机结构异常复杂。下面进一步从压缩空气的能量利用角度对空气动力发动机的两种动力分配模式进行讨论。

[0056] 在并联方式下，将等量的压缩气体同时输入到各个气缸膨胀做功。设初始状态1(30MPa,300K)，终了状态2(0.1MPa,300K)，压缩空气在气缸内进行等温膨胀，等温近似率，气缸数为4缸，进入发动机的压缩空气为单位质量1千克，4缸气体所做的总技术功为 。可见，虽然等温膨胀过程
是理想的做功过程，但膨胀后的气体体积是膨胀前的300倍。这就需要做功的气缸必须具有很大的容积。如果采用现有发动机的气缸作为等温膨胀后的气缸，选择压缩比为10，则， 。显然，技术功大大减少，不仅不如绝热膨胀所做的
技术功，而且剩余压力很高，能量没有充分利用。不过并联方式的优点在于各缸结构尺寸相同，布置简单，动力输出平稳。考虑到目前的技术，气缸不可能保持完全等温，且气缸的压缩比不能做得过大，压缩气体在膨胀做功后的排出压力较高，仍旧可以用来继续做功，因此采用多级绝热过程或者闭环回收尾气的能量，是目前较为实用、有效的方式。

[0057] 在串联方式下，将压缩空气在各个气缸内依次绝热膨胀做功，前一级气缸的排出气体为下一缸的初始压力。经过理论计算分析可知：串联分级越多，即使用的串联缸数越多，单位质量的压缩空气所做的功越多，能量利用率越高，一般串联四级，即可实现完全等温膨胀做功的80%；同等级别的串联中，中间状态的压力取值不同，对总的技术功差别不大。串联气缸的最大问题在于后一级气缸的容积均要大于前一级的气缸容积，并且各级气缸之间均要加载热交换器以便等压吸热。如此一来，对发动机的尺寸要求越来越大，会严重影响使用空气动力发动机的设备的整体布局。

[0058] 由上分析可见，空气动力发动机不同于传统的燃油发动机以及各种电动动力装置，它在原理上是可行的，并且符合环境保护、节约资源的可持续发展战略。并且，压缩空气来源方便，能量储存方式优于电气、液压等其他形式。压缩空气的动力分配形式各有优缺点，提高压缩空气使用效率，增大高压罐容量和充气压力是提高一次充气持续工作时间的主要手段。在罐容、充气压力相对确定的情况下，压缩空气能量使用率 是最大的变化参数。发动机结构优化、尾气能量回收、压缩空气分配等问题是需要深入研究的问题。

[0059] 经过上述的理论分析，本申请的申请人采用压缩空气的并联动力分配模式，为了提高压缩空气能量使用率和做功后排出气体的压力，申请人采用尾气回收回路，下面将对本发明的具体方式进行详细地描述。

[0060] 现在参考图1， 图1是根据本发明的二冲程空气动力发动机总成的总体示意图，图中的箭头表示空气气流的流动方向。在图1中，空气动力发动机总成包括发动机本体1、多柱体动力分配器2、动力设备4、控制器系统6、高压气罐组13、恒压罐16、进气控制调速阀23、电子控制单元ECU 29和叶轮发电机22。如图1所示，高压气罐组13通过压缩空气入口管路14与外接加气站或外接加气装置连接，以从外界获得所需的高压压缩空气。压缩空气入口管路14上设有流量计A、压力计P和手控开关(未示出)。流量计A用于测量和监控进入高压气罐组13的压缩空气的流量，而压力计P用于测量和监控进入高压气罐组13的压缩空气的压力。在需要通过外接加气装置或加气站对高压气罐组13进行加气时，打开手控开关，高压压缩空气进入高压气罐组13，当压缩空气入口管路14上的流量计A和压力计P达到规定数值时，关闭手控开关，完成高压气罐组13的充气过程，这样就可获得额定压力下比如30MPa的压缩空气。为了保证储气罐的安全性能，在高压气罐组13上可设置一个、二个或多个安全阀(未示出)。

[0061] 高压气罐组13可以是具有足够容量的一个、二个、三个、四个或更多个高压气罐以串联或并联的形式组合而成，根据应用场合的实际需要，确定高压气罐组13的组成气罐数。高压气罐组13通过管路15连接到恒压罐16，管路15上同样设置有分别监测和控制压缩空气流量和压力的流量计A和压力计P。恒压罐16用来稳定来自高压气罐组13的高压空气的压力，其压力略低于高压气罐组13内的压力，比如在21-28MPa之间，优选的是在21MPa左右。在恒压罐16和进气控制调速阀23之间设有管路17，管路17上也设置有分别监测和控制压缩空气流量和压力的流量计A和压力计P。来自恒压罐16的高压空气经过进气控制调速阀23的控制和调节后经管路进入控制器系统6。

[0062] 现在详细地描述进气控制调速阀23。进气控制调速阀23的作用是根据电子控制单元ECU 29的指令信号控制电磁阀的开启时间来决定压缩空气进气量。由于电磁阀具有减压作用，其与减压调压阀组合就形成了调速阀，从而可以将发动机的转速调整在一个合适的范围内。进气控制调速阀23由ECU 29发出的控制信号26控制。在发动机本体1上可选择性地设有多种传感器，比如测量发动机转速的速度传感器、判断气缸上止点位置的位置传感器以及判断油门踏板位置的油门电位计，还可以是测量发动机机体温度的温度传感器。根据本发明的示例性实施例，示出了速度传感器24和/或油门电位计242。速度传感器24可以是现有技术中测量发动机转速的各种速度传感器，并通常设置在曲轴56上。油门电位计242可以是现有技术中测量油门踏板位置的各种位置传感器，其通常设置在油门踏板位置处。在非车辆应用的场合中，类似于踏板位置的油门电位计可以是发动机负荷传感器，例如监测发动机输出力矩的转矩传感器、发电场合中控制发电电流大小的电流选择旋钮的位置传感器等。ECU 29根据各种传感器的信号，比如速度传感器24的速度信号和油门电位计242的位置信号中的任何一个或两个，经过运算处理发出控制信号26，控制信号26控制进气控制调速阀，从而可以实现进气控制调速阀的高速、中速、低速需要，由此相应于发动机的高速、中速和低速转动。

[0063] 经过进气控制调速阀的高压压缩空气经高压管路流入控制器系统6，并由控制器系统6向发动机本体1的各个气缸提供高压压缩空气，比如大约7-18MPa之间的压力，优选的是为9-15MPa，更优选的是为11-13MPa，以驱动发动机活塞51在缸体系统40内作往复运动(参考图2-6)，并经由连杆54将活塞51的往复运动转变成的曲轴56的旋转运动，从而满足发动机的各种工况下的要求。控制器系统6的具体结构将在后文进行详细地描述。

[0064] 继续参考图1，从发动机本体1输出的转动运动经过多柱体动力分配器2分配到例如是发电机4的动力设备。多柱体动力分配器2可与曲轴56上的飞轮固定连接，也可通过比如是联轴器的连接件与曲轴连接，以将动力传递给动力设备4。

[0065] 由于本发明的空气动力发动机由高压空气直接驱动，在曲轴旋转0-180度的过程中，高压空气驱动活塞51运动，在活塞到达下止点后因惯性向上运动时，曲轴继续转动180度-360度，发动机进行排气冲程，此时排气的气体依然具有较高的压力，例如为3MPa左右，具有较高压力的排出气体直接排到大气中一方面容易形成高压尾气流，引起尾气噪声，另一方面损耗了压缩空气所蕴涵的能量。因此，本发明设置了叶轮发电机22，试图利用尾气的蕴含压力能。如图1所示，从排气集气28收集的尾气经由管路27进入叶轮发电机22，进入叶轮发电机22的压力尾气驱动叶轮发电机22发电，叶轮发电机22将发出的电经由导线18传递给蓄电池19，以供发动机继续使用。

[0066] 现在回到图2至图5，图2至图5从不同的角度描述了图1中的发动机本体1的视图。其中，图2为发动机本体的正视图，图3为发动机本体1的右侧侧视图，图4为发动机本体1的左侧侧视图，图5为发动机本体的俯视图。进一步参见图6可知，发动机本体1包括气缸40、缸盖系统36、进气管路42(气门喉管)、排气管路27、活塞51、连杆54、曲轴56、排气凸轮轴800(见图8)、进气凸轮轴200(安装在图9中的进气凸轮轴安装孔113内)、前齿轮箱系统43和后齿轮箱33。前齿轮箱系统43用来传动曲轴56和凸轮轴。后齿轮箱33设置有齿圈31和飞轮32，其可连接到多柱体动力分配器2。在此发动机本体1的示例性实施例中，分别设置有进气凸轮轴200和排气凸轮轴800，它们均通过前齿轮箱系统43与曲轴56相连，并随曲轴56的转动做适当的转动。由于压缩空气进气直接受控制器系统6的控制和分配，因而在发动机汽缸盖系统36之上取消了进气阀，而仅设置排气阀62，在示例性实施中，排气阀为每个气缸4个，根据需要也可设置为1个、2个、4个或6个。来自控制器系统6的压缩空气经气门喉管42直接进入膨胀排气室63(见图6)，在发动机工作时，该压缩空气推动活塞51向下运动，活塞51通过连杆54将活塞51的直线运动转化为曲轴56的旋转运动，曲轴转动实现发动机的输出。在活塞51运动到下止点之后，曲轴56因惯性继续运动，带动活塞51从下止点位置向上止点位置运动，此时排气凸轮轴800通过其上的凸轮和相应的摇臂，打开排气阀62，进行排气冲程。在示例性实施例中，排出的尾气优选的是进入尾气回收回路。

[0067] 发动机本体1上还设有用来启动发动机的启动器39和通过例如是皮带轮的连接部件与曲轴相连的发电机391、用于润滑油回油的气缸体油底壳44以及对机油进行过滤的机油过滤器2。该发电机391可以例如整体式交流发电机、无刷式交流发电机、带泵式交流发电机或永磁发电机等，其在发动机工作时给发动机总成供电并给电瓶或蓄电池(图中未示出)充电。

[0068] 现在参考图6，图6为图1中的二冲程发动机总成的发动机本体1的曲轴-连杆-活塞系统总成，其中，示出了其中一个活塞-连杆单元与气缸40的连接。在示出的实施例中，优选的是具有6个气缸40，相应地具有6个活塞51和6个连杆54。在备选方案中，活塞51、气缸40和连杆54的数目可以分别是本领域技术人员可以想得到的1个、2个、4个、6个、8个、12个或其他数目个数。相应地，曲轴56作适应地匹配性设计，以适应活塞-连杆单元数。在示例性实施例中，如图6和图7中所见，曲轴56优选的是具有6个单元曲拐，其对应本发明的优选实施方案。继续参考图6，在所示出的其中一个活塞-连杆单元与气缸
40的连接中，从控制器系统6来的高压压缩空气经由进气管路42通过气缸盖36上的气喉孔402直接进入膨胀排气室63。高压气体在膨胀排气室63内膨胀做功，推动活塞51向下运动，此为做功冲程。做功冲程输出的功通过曲轴连杆系统向外输出动力。活塞51在气缸
44内由下止点位置向上止点位置运动时，排气阀62打开，具有一定压力的空气自膨胀排气室63中经由排气管27排出，此为排气冲程。在活塞51快到上止点时，排气阀62关闭，控制器系统6又开始为膨胀排气室63供气，进入下一个循环。显然，本发明的发动机的曲轴
56每转动一圈(360度)，就做功一次，而不像传统的四冲程发动机，在曲轴转动两圈(720度)的过程中完成一次完整的进气、压缩、膨胀和排气冲程。这就如二冲程发动机一样，但又与传统的二冲程发动机不同，因为传统的二冲程发动机通常在气缸底部设有进气口，并在气缸适当位置设有扫气口和排气口。而本发明的二冲程发动机是在气缸的顶部设有用于高压压缩空气进气的气喉孔402和用于尾气排放的排气孔272，并且气喉孔402的连通和闭合是进气凸轮轴200通过控制器系统6实现的，而排气孔的连通和闭合是由曲轴带动排气凸轮轴800转动，并通过摇臂控制排气阀62的打开和关闭而实现的。因此本发明的二冲程发动机是完全不同于传统的二冲程发动机的，其有效地利用了可直接膨胀做功的高压空气，曲轴56每转动一圈活塞51就做功一次，因而在相同的排气量情况下，相比较传统的四冲程发动机而言，功率可提高一倍。

[0069] 现在参考图5和图6，曲轴56包括齿轮连接螺栓79、曲轴前端80、斜齿轮61、主轴颈78、单元曲拐71、平衡重77、曲柄销76、曲轴后端75和飞轮连接螺栓72。曲轴56上的主轴颈78和曲柄销76上分别设有一个或多个机油润滑油孔，以便为曲轴提供润滑机油。曲轴前端80的右侧(如图中所示方向)相邻处设有齿轮连接螺栓79，以与前齿轮箱系统43中的相应齿轮连接，曲轴前端80的左侧(如图中所示方向)相邻处设有斜齿轮61，以带动凸轮轴转动。曲轴后端75的外侧相邻位置设有飞轮连接螺栓72，以与飞轮32形成固定连接。平衡重77上环设有一个、二个或多个平衡配重孔，以调节平衡重重量。在本发明的优选实施例中，曲轴的单元曲拐71包括六个单元曲拐，分别是第一单元曲拐71a、第二单元曲拐71b、第三单元曲拐71c、第四单元曲拐71d、第五单元曲拐71e、第六单元曲拐71f。其分别对应于第一至第六连杆54或活塞51。在备选实施例中，单元曲拐71可包括不同数目的单元曲拐，比如1个、2个、4个、6个、8个或更多个，这些均是本领域技术人员容易想到的。在图6或图7中的优选实施例中，各单元曲拐的相位作如下设置：第一单元曲拐71a与第二单元曲拐71b相差120度、第二单元曲拐71b与第三单元曲拐71c相差120度、第三单元曲拐71c与第四单元曲拐71c相差180度、第四单元曲拐71d与第五单元曲拐71e相差-120度、第五单元曲拐71e与第六单元曲拐71f相差-120度。如此设置下的曲拐单元，可以实现曲拐单元的工作顺序为：第一和第五单元曲拐同时工作，而后第三和第六单元曲拐一起工作，最后第二和第四单元曲拐一起工作。如此一来，相应的发动机气缸的工作顺序为：1-5缸，3-6缸和2-4缸。根据本发明的教导，本领域技术人员可设置不同于本发明的单元曲拐及其工作相位和工作顺序，但其均落在本发明的范围内。

[0070] 继续参考图6，活塞51通过连杆54与曲轴56连接。连杆54包括连杆小头、连杆体和连杆大头。连杆大头包括连杆盖58，连杆盖58的内侧形成圆形的空间，以通过置于空间内的连杆轴瓦57与曲轴的曲柄销76连接。活塞51的外圆周表面设置有四氟乙烯阻油环53和四氟乙烯活塞环52。在图示的示例性实施例中，每个活塞51上设置有4道四氟乙烯活塞环52和2道四氟乙烯阻油环53。在备选实施例中，四氟乙烯阻油环53和四氟乙烯活塞环52的数目可以变化，例如均可以是2道、3道、4道或更多道。四氟乙烯阻油环53起阻油作用，四氟乙烯活塞环52起刮油作用，它们共同作用，保证润滑油可靠地润滑和密封。

[0071] 现在参考图8，图8为图2中的发动机本体1的排气凸轮轴800结构示意图。排气凸轮轴800包括单元凸轮81和链轮83。在示例性实施例中，单元凸轮81包括6个单元凸轮，其分别为第一单元凸轮81a、第二单元凸轮81b、第三单元凸轮81c、第四单元凸轮81d、第五单元凸轮81e、第六单元凸轮81f。在备选实施例中，单元凸轮81的数目可以是1个、2个、4个、6个、8个、12个或更多个，这取决于发动机气缸数和每一个气缸的排气阀个数。在本发明的示例性实施例中，每个单元凸轮81包括两个凸轮82，每个凸轮82控制其对应的排气阀62的开启。在图8中的优选实施例中，各个单元凸轮81的相位作如下设置：第一单元凸轮81a与第二单元凸轮81b相差120度、第二单元凸轮81b与第三单元凸轮81c相差120度、第三单元凸轮81c与第四单元凸轮81c相差180度、第四单元凸轮81d与第五单元凸轮81e相差-120度、第五单元凸轮81e与第六单元凸轮81f相差-120度。如此设置下的单元凸轮，可以实现单元凸轮的工作顺序为：第一和第五单元凸轮同时工作，而后第三和第六单元凸轮一起工作，最后第二和第四单元凸轮一起工作。如此一来，相应的发动机气缸的工作顺序为：1-5缸，3-6缸和2-4缸。根据本发明的教导，本领域技术人员可设置不同于本发明的单元凸轮及其工作相位和工作顺序，但其均落在本发明的范围内。

[0072] 现在参考图9，图9A-图9B统称为图9，其为图1中的二冲程空气动力发动机总成的控制器系统6的视图。如图9所示，控制器系统6包括高压共轨恒压管91、控制器下座97、控制器中座98、控制器气门92、控制器弹簧94以及控制器上盖108。高压共轨恒压管
91具有圆柱形外形，其也可为矩形、三角形等外形。高压共轨恒压管91内部为例如是圆柱形的腔道，以接受来自进气控制调速阀23的高压进气，并大体上保持腔道内的压缩空气压力均衡，以便使初始进入各个气缸40的膨胀排气室63内的高压空气具有相同的压力，从而使发动机工作平稳。高压共轨恒压管91的两端固定装配有高压共轨恒压管端盖100，在其与进气控制调速阀23连接的端盖100具有向外延伸的凸缘(图中未标记)，该凸缘伸入到高压进气控制调速阀23和高压共轨恒压管91之间的管路内，并通过例如是螺纹的连接方式与高压管路可拆卸地固定连接。高压共轨恒压管端盖100通过端盖连接螺栓与高压共轨恒压管91连接。高压共轨恒压管91上设有对应于气缸40的数目的上盖连接孔111，在图示的优选实施例中，上盖连接孔111的数目为6。控制器上盖108在沿其中心线的剖面上具有倒T形，其具有圆柱形的支进气管路112和圆形下表面(图中未标记)，支进气管路112通过其上端外围的螺纹连接到上盖连接孔111内，以与高压共轨恒压管91形成固定可拆卸地连接。控制器上盖108通过上盖与中座连接螺栓或其他紧固件与控制器中座98形成密封的、可拆卸固定连接。控制器中座98通过中座与下座连接螺栓110或其他紧固件与控制器下座97形成密封的可拆卸固定连接。

[0073] 如图9所示，控制器中座98在其中心处设有直径不同的孔，从上到下依次为控制器气门座套孔120、控制器气门孔117、油封衬套孔116、控制器气门弹簧孔119。在示例性实施例中，孔120的直径大于孔117的直径并且大于孔116的直径。孔117的直径大于孔116的直径。孔119的直径可以和与孔117的直径相同或不同，但要求大于孔116的直径。在优选实施例中，孔119的直径等于孔117的直径，但略小于孔120的直径。控制器气门座套93安装在控制器气门座套孔120内，并支撑在控制器气门孔117之上。控制器气门孔117为空腔，其与气喉孔连接孔118连通，以在控制器气门92打开时，将来自高压共轨恒压管91的压缩空气经由支进气管路112进入气喉孔连接孔118。气喉孔连接孔118的一端与控制器气门孔117连通，另一端联通缸盖系统36的气喉孔402，其保持常通，因而可在控制器气门92打开时，将压缩空气送入膨胀排气室63，从而驱动发动机工作。油封衬套99安装在油封衬套孔116内，并支撑在控制器气门弹簧94之上，其内通过控制器气门92的气门杆(图中未标记)。该油封衬套99除了对控制器气门92进行密封外还对气门杆起导向作用。控制器气门弹簧94安装在控制器气门弹簧孔119内，其下端支撑有控制器气门弹簧下座95，并通过控制器气门锁夹片紧固在控制器气门弹簧下座95之上。在发动机不工作时，控制器气门弹簧94预加载一定的预张力，其将控制器气门92抵靠在控制器气门套座93上，控制器气门92关闭。

[0074] 控制器下座97内部设有示例性的6个控制器挺柱安装孔114，其根据发动机气缸数的不同，可以设置不同数目的控制器挺柱安装孔114，例如可以是1个、2个、4个、6个、8个、10个或更多。控制器挺柱115安装在控制器挺柱安装孔114内，并随安装在进气凸轮轴安装孔113内的进气凸轮轴200转动而上下往复运动。当需要给发动机气缸40提供高压压缩空气时，进气凸轮轴200的凸轮向上顶起控制器挺柱115，控制器挺柱115继而顶起控制器气门92的气门杆，使得气门杆克服控制器气门弹簧94的拉力，离开控制器气门套座93，从而控制器气门打开，高压压缩空气得以从高压共轨恒压管91进入膨胀排气室63，以满足发动机的供气需求。在进气凸轮轴200随曲轴56转过一定角度后，控制器气门92的气门杆在控制器气门弹簧94的恢复力作用下重新坐落在控制器气门套座93上，控制器气门92关闭，供气结束。由于本发明的空气动力发动机为二冲程发动机，曲轴56每转动一周，控制器气门92和排气阀62各开闭一次，因此，很容易设置进气凸轮轴200和排气凸轮轴800的凸轮相位以及它们与曲轴的连接关系，其详细的结构和运动传递见图10的示例性说明。

[0075] 现在参考图10，图10A-图10C统称为图10，其为图1中的二冲程空气动力发动机总成的前齿轮箱系统43的不同视图。如图10所示，前齿轮箱系统包括多边形盖313、传动齿轮308、曲轴齿轮307、过桥齿轮303、进气凸轮轴齿轮302、排气凸轮轴齿轮306。曲轴齿轮307与穿过多边形盖313的曲轴56一端固定连接，以传递来自曲轴的转动。曲轴齿轮307的下方(图10B中所示方位)设有例如是机油泵齿轮的传动齿轮308，以通过传动齿轮308带动例如是机油泵的构件转动。在曲轴齿轮307的上方从左至右(图10B中所示方位)依次设置有进气凸轮轴齿轮302、过桥齿轮303、排气凸轮轴齿轮306。曲轴齿轮307与过桥齿轮303直接接合以带动过桥齿轮303转动。过桥齿轮303同时与左右两侧的进气凸轮轴齿轮302和排气凸轮轴齿轮306接合，以在曲轴56转动时，通过曲轴齿轮307、过桥齿轮303带动进气凸轮轴齿轮302和排气凸轮轴齿轮306的转动，从而使进气凸轮轴200和排气凸轮轴800转动，最终实现排气阀62和控制器气门92的开启和关闭。在示例性实施例中，排气凸轮轴齿轮306直接固定连接在排气凸轮轴800上，从而排气凸轮轴齿轮306的转动直接带动排气凸轮轴800的转动。而进气凸轮轴齿轮302的中心轴的适当位置上固定有皮带轮(未示出)，该皮带轮通过凸轮轴传动皮带35与设置在进气凸轮轴200上的皮带轮连接，从而带动进气凸轮轴200转动，实现控制器气门92的开启和关闭。在备选实施例中，进气凸轮轴齿轮302的中心轴的适当位置上也可固定有链轮(未示出)，该链轮通过链条与设置在进气凸轮轴200上的链轮连接，从而带动进气凸轮轴200转动，实现控制器气门
92的开启和关闭。

[0076] 多边形盖313上设有多个不同作用的孔，例如螺钉连接孔309、螺钉孔310和螺栓连接孔311。多边形盖313通过螺钉连接孔309连接到发动机箱体上，过桥齿轮303通过螺钉孔310连接到多边形盖313上，螺栓连接孔311用来将多边形盖311与发动机箱体连接。螺栓连接孔311可以设置在焊接在多边形盖311上的焊接柱5内。多边形盖311上还设有供润滑油流动的油孔304和用于安装吊环的吊环座12。

[0077] 现在参考图11，图11A-图11C统称为图11，其为图1中的二冲程空气动力发动机总成的多柱体动力分配器2的不同视图。如图11所示的本发明的示例性实施例，多柱体动力分配器2是多级动力分配器，其由一级601、二级602、三级603、四级604、五级605(图10B所示的方向由左至右)组成。在备选实施例中，多柱体动力分配器可由不用于本发明的五级的其他级组成，例如三级、四级、六级或七级等。每一级的结构大体相同，均包括行星齿轮401、内齿圈407和太阳轮405。可根据需要均匀设定每一级的行星轮的个数，例如3个、
5个、7个或更多个。在示例性实施例中，每一级均包括5个均匀分布的行星齿轮401。这样做的好处在于，行星齿轮的均匀分布可使主轴的受力均匀，传动平稳而且传动功率大。如图11B所示，一级601和二级602的行星齿轮401之间通过行星齿轮销403连接，以使一级
601、二级602同步转动。行星齿轮销403通过光滑的平键4021或花键与行星齿轮401连接。在示例性实施例中，行星齿轮销403可以是细圆柱形的销，其外形也可以是矩形、梯形、半圆形，其个数可以是每一级采用二个、三个、四个、五个或更多个。二级602和三级603的太阳轮405通过太阳齿轮销406连接，以实现二级602和三级603的联动。三级603和四级604之间的连接关系类似于一级601和二级604之间的连接关系，四级604和五级605之间的连接关系类似于二级602和三级603之间的连接关系。如此一来，多柱体动力分配器4的一级602到五级603实现了动力的传递，可以将来自一级601的动力输入从五级605中输出。尤其注意的是，每一级的行星齿轮401只绕自身轴线作自传运动，而不绕相应太阳轮
405作公转运动，这样的布置使多柱体动力分配器的内部结构相对简单，易于平稳地传递动力。

[0078] 现在描述多柱体动力分配器2的工作原理。发动机本体1的曲轴51上设有飞轮32，飞轮32的外围固定连接有齿圈31，该齿圈31具有外齿圈，其与多柱体动力分配器2的一级601上的具有内齿的内齿圈407啮合，以将曲轴56的运动传递到一级601的内齿圈
407。一级601的行星齿轮401与二级602的行星齿轮连接，动力自一级601传递到二级
602，二级602的行星齿轮401带动二级的太阳轮405转动。二级的太阳轮405通过太阳齿轮销406与三级的太阳轮连接，带动三级的太阳轮405转动，动力自二级602传递到三级
603。三级603以类似于一级601的方式，将三级603的动力通过行星齿轮401将动力传递到四级604。四级604以类似于二级的方式将四级604的动力通过太阳轮405传递到五级
605。在本发明的实施例中，五级605的行星齿轮401的转动轴为动力输出端，动力通过行星齿轮401分为多路(本发明示例性地示出了两路)传递到与多柱体动力分配器2连接的元件，例如在本发明的示例性实施例中，该元件是比如是发电机的动力装置4。这样一来，动力从发动机的曲轴56输出，通过多柱体动力分配器2实现多路输出。相比较传统发动机的变速箱有利地是，采用五级行星齿轮的传递进行动力再分配，即实现了省力又减少了传递中的扭矩振动。

[0079] 本说明书详细地公开了本发明，包括最佳模式，并且也能使本领域的任何人员实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何引入的方法。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对本发明所作的各种变型、改型及等效方案。